1.2. 핵심 요소 기술 및 내용
● 광대역 수광기술
- 기존에 실용화된 Silicon 기반 수광물질이나 III-V 반도체 수광물질들이 가지는 bandgap의 한계를 극복하기 위하여 광대역 흡수성질을 가지는 nanophotodetector에 대한 연구가 진행
- 흡수 대역의 제한이 없는 zero bandgap 물질(예 : graphene)을 사용하거나 두 가지 이상의 흡수 성질을 가지는 layer를 적층하여 사용
- 원자 1층의 두께를 가지고도 광을 흡수하는 2D 반도체 물질을 이용하는 nanophotodetector와 solution process로 적층이 가능한 perovskite 물질 기반 nanophotodetector의 연구가 활발히 진행
● 광포집 구조 접합 기술
- 기존의 수광소자에 나노안테나 또는 메타원자들의 배열이 결합된 구조를 도입함으로써 수광효율 (responsivity)이 증가
● 초저전력 카메라
- 외부 전원이 매우 적게 필요하거나 아예 필요없이 자체적으로 광전류를 발생시키는 기술
- 4차 산업혁명에서는 IoT 기술의 근간이 되는 각종 소자들이 주변 곳곳에 사용될 것이라 예상되므로 nanophotodetector 또한 초저전력 또는 무전력 소자로서의 연구가 활발히 진행
● 거리 측정 카메라
LIDAR
용- 자율주행이 가능한 자동차의 경우 피사체의 거리를 빠른 시간에 측정해야 하는데 카메라의 이미지를 software적으로 처리하는 방식보다 안전하고 빠른 반응을 보이는 전기적 방식의 time-of-flight 방식의 수광소자의 개발이 진행 중
- 기존의 LIDAR는 MEMS array나 회전하는 거울을 이용하여 측정하는 방식을 사용하여 수 ms 정도의 반응 속도를 가지고 있으나, 빠르게 운동하는 자동차의 경우 문제가 생길 수 있어 수백 ns 정도의 반응 속도를 가지는 전기적인 gating이 가능한 nanophotodetector의 연구가 진행 중
1.3. 잠재 수요 분야 및 기대효과
● 수광소자 전체의 세계시장조사 기관의 예측은 기관별로 상이하므로 각 기관의 예측치를 각각 서술 - Transparent Market Research의 조사 결과에 따르면, 2017년 444.8백만 달러부터 2026년 867.7백만
달러로의 증가가 예측되고 있으며 시장의 증가 원인은 주로 고효율의 수광소자이며, 이는 주된 수요처가 될 것으로 예상2)
-Technonavio의 조사 결과에 따르면 2018부터 2022년 사이의 시장규모는 17.3억 달러로 예상되고 있으며, 주된 수요처는 기계학습 분야나 인간과 기계사이의 인터페이스 분야 등으로 이는 각광받는 4차 산업이 될 것으로 예측3)
1.4. 해결해야 할 기술 이슈
● 광대역 수광기술
- 광대역 흡수 성질을 가지는 단일 물질은 대개 responsivity가 낮으므로 이를 극복하기 위한 다양한 이종 접합의 시도가 필수
- 이때 접합면의 접합저항과 물질의 적층 시 발생하는 불순물을 처리해야 하는 데 실험실 수준에서 이를 완벽히 해결하는 것은 불가능
- 따라서 클린룸이나 후드가 설치된 대규모 팹시설에서 소자제작공정을 진행해야 하는데, 이에 따르는 비용이 발생
● 광포집 구조 접합 기술
- 현재 메타표면의 제작기술은 설계 아이디어가 최적화되기 까지는 아직 기술수준이 미약하고 미세공정에 소요되는 예산에 따라 그 기술수준이 결정되므로 무한정 증가시키기 어렵다는 문제가 존재
- 따라서 최적화를 위해서는 앞으로 수년간 연구가 더 진행되어야 할 것으로 예상
● 초저전력 카메라
- 현재 실리콘 기반의 초저전력 카메라의 성능을 뛰어 넘는 새로운 초저전력 카메라의 개발은 아직 물질들의 안정화가 되지 않음으로 인하여 시기상조로 판단
- 그러나 4차산업의 수요가 뒷받침되고 있어서 이 분야의 연구는 전 세계적으로 매우 활발하여 조만간 뛰어난 성능의 nanophotodetector array가 개발될 것으로 기대
● 거리 측정 카메라
LIDAR
용- 회전식이 아닌 고정형 수광소자의 개발은 관련 반도체 기술과 산업이 함께 발전해야 이루어지므로, 2019년 기준 소자 관련 수요가 충분해질 때까지 기다려야 기술개발에 대한 needs가 형성
3) https://www.technavio.com/report/global-photo-detector-market-analysis-share-2018
2 기술 동향
2.1. 국내 동향
● 성균관대학교
- MoS2 single layer 반도체의 흡광 양자효율을 약 1,000배 향상4)
- 연구팀은 spin coating된 은나노선 다발 위에 PVP layer를 coating했는데, 이후 thermal CVD로 만든 원자 1층으로 이루어진 MoS2 layer를 PMMA를 통하여 transfer한 후 이 layer에 Cr/Au의 두 전극을 붙여 흡광 양자 효율을 측정
- 은나노선 다발이 가지는 표면플라즈몬 특성 때문에 효율이 좋지 않던 MoS2 layer의 흡광 특성이 획기적 으로 향상
●
Soslab
- 광주과학기술원 출신 대학원생들이 주축으로 차량용 및 산업용 LIDAR를 개발5)
- 사물의 색상이나 날씨에 따라 반사파가 돌아오는 멀티에코현상을 보정하는 기능을 담은 알고리즘에 솔리드스테이트 고정형 타입의 LIDAR를 개발
2.2. 해외 동향
●
University of Toronto,
캐나다- Colloidal Quantum Dot 물질을 Perovskite 물질에 넣어 광대역 나노수광소자를 개발6)
- MAPbI2.5Br0.5에 PbS colloidal quantum dot을 embedding한 물질을 광흡수층으로 사용하여 300~
1,400nm에 이르는 광대역 수광소자를 개발
- External quantum efficiency는 90%, Detectivity는 5×1012 Jones 달성
- 연구자들은 PbS에서 생성된 exciton이 PbS/MAPbI2.5Br0.5경계에서 Fowler-Nordheim tunneling 현상을 통하여 효율적으로 electron과 hole로 분해되는 현상을 규명
4) Nano Lett, 18, 2316-2323 (2018) 5) http://soslab.co/ko/products-ko
● 킹압둘라과학기술대학교
,
사우디-Gd-doped ZnO nanorods를 perovskite물질에 넣어 광대역 나노수광소자를 개발7)
-CH3NH3PbI3물질에 vertically-aligned Gd-doped ZnO nanorods를 embedding하여 250~1,357nm에 이르는 광대역 나노수광소자를 개발
-28A/W에 달하는 최대 responsivity와 1.1×1012 Jones의 detectivity를 달성
●
Autonomous University of Madrid,
스페인-Franckeite 물질과 van der Waals 물질의 이종접합을 수광층으로 이용하여 나노수광소자를 개발8) -Franckeite는 pseudohexagonal (H)층과 pseudotetragonal (Q)층이 접합된 sulfosalt 계열의 물질로서
H는 SnS2나 FeS2물질이고, Q는 PbS, SnS, SbS 물질로 정의
- 이 두 종류의 물질은 mechanically 적층하거나 액상으로 적층시킬 수 있으며 적층 후에는 type-II 반도체 이종접합과 비슷하게 valence band는 H층에, conduction band는 Q층에 존재
-640nm 파장에서 100mA/W의 최대 responsivity를 획득
●
University of Texas at Austin,
미국- 유기 수광소자와 메타 표면을 결합하여 수광특성을 개선9)
-P3HT:PC71BM과 ZnO층 사이에 금으로 된 메타표면을 도입하여 600nm 근처의 가시광에 대한 responsivity를 2배 향상
- 메타표면 근처의 전자기장 증가가 흡광 특성을 향상
●
University of London,
영국/ Sandia National Laboratories,
미국- 완전흡수가 가능한 photoconductive 메타표면을 이용한 THz 수광소자10)
-P3HT:PC71BM과 ZnO층 사이에 금으로 된 메타표면을 도입하여 600nm 근처의 가시광에 대한 responsivity를 2배 향상
- 메타표면 근처의 전자기장 증가가 흡광 특성을 향상
7) ACS Appl. Mater. Interfaces, 9, 37832 (2017) 8) Nat. Commun., 8:14409 (2016)
9) Nano Lett, 18, 3362-3367 (2018) 10) Nano Lett, 19, 2888-2896 (2019)
3 시사점(기술수준)
● 국내와 세계적인 기술수준의 차이는 모든 분야를 종합적으로 판단하면 세계수준의
70~80%
수준이지만,
이는 선택과 집중에 의한 효과로 발생하는 것이지 경쟁력이 없다고 해석하는 것은 무리- 기존의 III-V 수광소자의 경우 국내 관련 산업은 수십 년째 침체되어 있고 상당부분 수입에 의존하는 실정이나 이는 수요가 적어서 발생하는 문제이지 기술수준이 떨어져서 발생하는 문제는 아니라고 판단 - 도리어 신물질 관련 연구는 국내 학계에서 매우 활발히 진행되고 있고 관련 지적재산권 출원도 잦은
편이어서 새로운 기술에 대해서는 경쟁력이 충분하다고 판단
- 4차산업의 수요를 예측하는 것은 어려우나 관련 산업의 기술개발은 국내에서도 상당한 수준의 투자를 지속하고 있기 때문에, 수요가 창출되는 분야에 매우 빠르게 대응할 수 있다고 기대